MIT研发新型液态金属打印工艺，适用大规模快速制造建筑行业

近日，麻省理工学院（MIT）研究人员发表了一项新研究，展示了液态金属打印（LMP）在大规模建筑和结构应用方面的优势。研究团队的LMP 3D打印方法是将熔融铝沉积在小玻璃珠床上，然后铝迅速硬化成3D结构。这种工艺为了速度而牺牲表面分辨率和精度。与其他金属增材制造技术相比，LMP制造3D打印金属结构的速度快10倍，成本也更低。

虽然LMP并不是一项新技术，但研究人员指出，这项研究首次证明了它在快速制造建筑和施工应用大型部件方面的价值。这项由建筑计算机辅助设计协会（ACADIA）发表的研究还认为，LMP在大型金属3D打印中具有可持续发展的优势。麻省理工学院的团队指出，LMP非常适合使用回收或废金属进行快速原型设计和生产。

使用麻省理工学院LMP工艺3D打印的椅子框架

在实验中，研究人员3D打印了一系列铝结构来支持他们的假设，包括桌子和椅子的框架。这项研究强调，使用LMP制造的部件可以与其他材料和后处理步骤相结合，从而制造出功能性家具。   

“这是我们思考金属制造的一个完全不同的方向，具有巨大的优势。这项工艺的确有一些缺点。但建筑世界中的大多数东西包括身边的桌椅和建筑，其实并不需要极高的分辨率，”该研究的资深作者、麻省理工学院建筑系副教授Skylar Tibbits评论道，“速度、规模以及可重复性和能耗，都是重要的衡量标准。”

LMP加速大规模金属增材制造  
电弧送丝增材制造技术（WAAM）是一种现有的金属3D打印技术，在建筑和构造领域非常突出。与LMP一样，WAAM可以快速制造大型、低分辨率的结构。然而，由于在3D打印过程中经常需要重熔，因此WAAM生产的部件容易发生翘曲和开裂。 

LMP克服了上述这些难题，因为金属在整个打印过程中保持熔融状态。麻省理工学院团队的LMP针对铝还进行了优化。该3D打印机通过陶瓷喷嘴将熔融铝高速挤压到玻璃床中。据报道，这种工艺可在数秒内3D打印出大型金属零件，熔融铝在几分钟内冷却并硬化。

在这一过程中，铝在电炉中被加热到700℃，这是因为铝在建筑中很受欢迎且易于回收。在石墨坩埚中保持高温后，熔化的金属在重力作用下通过喷嘴注入。由于熔融材料是直接注入到颗粒物质中的，因此在LMP 3D打印过程中不需要支撑物，从而可以快速、轻松地制造出大型结构。    

LMP 3D打印机的喷嘴加热组件

在3D打印过程中，LMP喷嘴被推入到玻璃珠粉末中，意味着用户无法观察熔融铝的沉积过程。因此，研究小组开发了一个数值模型来模拟挤压过程，估算出任何给定时间内沉积的材料量。在这项研究中，研究人员利用LMP快速生产出厚度可变的金属家具框架。这些框架经久耐用，足以承受铣削和镗孔等加工过程。将LMP与后处理相结合，研究小组制造出了全尺寸的3D打印桌椅。

研究小组得出结论，LMP作为一种原型设计工具，以及一种快速、低成本、大规模生产的形式，在建筑行业具有巨大的潜力。展望未来，研究小组将继续改进LMP技术，实现喷嘴加热，这将有助于防止堵塞。研究人员还希望能更好地控制熔融材料的流动。

最终，人们希望LMP 3D打印机能够更加普及，让用户可以轻松地用回收金属3D打印大型零件。Tibbits解释说：“如果我们能让人们真正用这台机器来熔化回收的铝并打印零件，那将会改变金属制造业的游戏规则。现在，它还不够可靠，但这是我们的目标。”

在玻璃珠床中打印液态金属

液态金属打印技术的发展 
虽然麻省理工学院的研究人员率先展示了大规模金属增材制造应用的潜力，但他们并不是第一个利用液态金属3D打印技术的团队。早在2018年，俄勒冈州立大学的研究人员就利用液态金属打印技术制造出了小型灵活的3D打印电路。该团队将液态金属合金与镍相结合，成功制造出一种导电金属浆料，直接3D打印到柔性表面上，形成了两个完整的电路，它们相互重叠而不接触。 

2022年，制造系统和机床开发商格劳博推出GMP300 LMP 3D打印机，以此进军3D打印机市场。该系统旨在以经济、节省材料的工艺，利用金属线材原料快速生产近净成形零件。GMP300具有比粉末床熔融（PBF）更高的堆积率和比定向能量沉积（DED）更高的分辨率，主要面向金属加工领域的应用。这款LPM 3D打印机的构建体积为300mm³，采用三轴运动学设计，最高轴速为30m/min，构建室在惰性气氛下工作。